När det gäller att testa dricksvatten för farliga föroreningar, såsom tungmetaller som bly eller kadmium, kontinuerlig testning direkt från kranar som människor dricker ur är viktigt. Än, mycket lite av den här typen av vattentester görs. Ett team från UC San Diego och campus spinout Quantitative BioSciences arbetar för att förbättra situationen.

"Vatten kan vara bra att dricka, bra att dricka, bra att dricka ... och då är det inte, "sade UC San Diego bioingenjör alumn Natalie Cookson ('08) när hon förklarade värdet av kontinuerlig övervakning av dricksvatten, jämfört med sporadisk vattenövervakning.

Hon hoppas att detta arbete kommer att producera prisvärda vattentestsystem som kan installeras vid kranarna som människor faktiskt dricker av. Vattnet som lämnade reningsverket i Flint Michigan, till exempel, hade inte farligt höga blynivåer. Men när samma vatten hälldes från kranar från flintbor, bly fanns i vattnet.

Ett team från UC San Diego och Quantitative BioSciences har ett nytt tillvägagångssätt för kontinuerlig övervakning av tungmetallföroreningar i dricksvatten med bakterier som sensorer för kontaminering. Teamet publicerade nyligen sina framsteg i tidningen Proceedings of the National Academy of Science ( PNAS ).

"Vår högsta prioritet är att utföra arbete som vi känner oss stolta över och kommer att påverka, "sa Cookson.

Även om det finns några alternativ för vattenprovning av tungmetaller i bostäder, det finns tekniska, kostnader och logistiska begränsningar som kommer i vägen för utbredd, kontinuerlig övervakning av kranvatten i bostäder, skolor och gårdar. San Diego -teamet försöker ta bort dessa hinder.

E. coli som vattentestare

Den nya metoden för vattenövervakning förlitar sig på ofarliga stammar av E. coli -bakterier för att faktiskt upptäcka tungmetallföroreningar. Medan E. coli gör rubriker i samband med matförgiftning, ofarliga stammar av mikroben används i laboratorier runt om i världen för många olika forskningsändamål.

De är laboratorieråttorna i bakterievärlden.

"Ok E. coli, "sa Nick Csicsery." Om arsenik finns och du vet det, låt oss veta."

Ibland visste E. coli och ibland inte, "beroende på metallen, "förklarade Csicsery. Han tog nyligen sin bioingenjörsexamen i Hasty -labbet vid UC San Diego och har gått med i Quantitative BioSciences, där han arbetar med att utveckla syntetiska biologibaserade övervakningstekniker.

Hur "meddelar" dessa mikrober om förekomsten av en farlig tungmetall i vattnet?

Svaret är att bakteriella genomer reagerar på föroreningar på sätt som människor har lärt sig att känna igen.

"Vi har tillgång till livskoden som omger oss, "sa Gregoire Thouvenin, en bioingenjör från UC San Diego student och en annan av de första författarna på PNAS papper. "När du studerar mikrober, du gräver djupare och du inser att de är mer kopplade till allt annat än du först trodde. "

I detta fall, att utnyttja dessa kopplingar krävde forskare från många områden, inklusive bioingenjör, syntetisk biologi, mikrofluidik, matematik och datavetenskap för att kombinera krafter. Resultatet är ett system som övervakar vatten i två veckor och känner igen när föroreningar i vattnet förändrar det genetiska beteendet hos 2, 000 olika bakteriestammar.

E. coli hotell

I detta bakteriedrivna vattentestningssystem, varje bakteriestam lever inuti sin egen lilla kammare, och alla 2, 000 stammar är uppradade i samma chip gjorda av ett hårt genomskinligt material. Det finns små kanaler som levererar vatten, föroreningar och mat till var och en av kamrarna på ett kontrollerat sätt.

Dessa 2, 000 bakteriestammar har var och en bit genetiskt material insatt i en liten cirkulär bit av dess DNA (en plasmid) som gör det möjligt för en fluorescensutmatning att "markera" aktiviteten hos en specifik gen. När en vattenförorening interagerar med den insatta genen, bakterierna tänds.

Med sin mikrofluidik -inställning, forskarna kan registrera vilka stammar som lyser upp när. Detta blinkande mönster registreras och matas in i ett artificiellt intelligenssystem. Resultatet är en automatiserad förmåga att identifiera när bakterierna stöter på specifika tungmetallföroreningar i vattnet, baserat på ljusmönstret som produceras av bakterierna. Bioingenjör Ph.D. studenten Garrett Graham ledde datavetenskap och artificiell intelligens del av projektet. (Han tog examen och arbetar som klimatdataanalytiker vid North Carolina Institute for Climate Studies.)

Tanken är att systemen ska installeras på platser där människor faktiskt dricker vatten, för att identifiera förorenat vatten.

Medan forskarna valde tungmetallidentifiering för att demonstrera kraften och flexibiliteten i deras system, de artificiella intelligenskomponenterna i den skulle kunna utbildas i att identifiera andra föroreningar också.

Konsten och vetenskapen att göra

En av de stora framstegen för detta projekt var att räkna ut hur man designar, bygga och köra systemet för infogning, hus, mata och hålla koll på de 2, 000 olika bakteriestammar under två veckor.

Lizzy Stasiowski och Nick Csicsery ledde designen och tillverkningen av systemet som tillåter alla 2, 000 E. coli -stammar som ska laddas in i systemet på en gång.

Detta projekt förenade konsten och vetenskapen att "göra" med syntetisk biologi, genomisk analys och maskininlärning, att skapa ett system som är redo att göra gott i världen.

"En av mina favorit saker med det här projektet är hur mångsidigt det kan vara. Vårt system låter dig övervaka dynamiska förändringar i genuttryck för tusentals bakteriestammar samtidigt för alla miljöförändringar. Det är ett projekt som är relevant för både industri och akademi, sa Stasiowski.

Hon avslutade nyligen sin bioingenjörsexamen. vid UC San Diego och är Vertex Pharmaceuticals Fellow i San Diego som arbetar med instrumentforskning och utveckling.

"Även om jag tycker att fokus på tungmetaller är intressant när det gäller ett noggrant bevis på koncept, Jag är mest upphetsad över tekniken som ett screeningsverktyg för forskare och företag som fokuserar på syntetisk biologi, "sa Jeff Hasty, en UC San Diego professor i bioingenjör och biologi som är seniorförfattare på PNAS -papperet. "Tekniken är väl positionerad för upptäckten av gener som svarar på komplexa signaler som finns i miljö- och medicinska tillämpningar."

Används som ett screeningsverktyg, plattformens unika kombination av mikrofluidik och artificiell intelligens kan hjälpa till att belysa de mekanismer som gör det möjligt för celler att tolka och reagera på förändrade miljöer, och möjliggöra testning av syntetiska stammar som är utformade för att interagera med miljön på nya sätt. Befintliga screeningtekniker har sällan både den tidsmässiga upplösningen och genomströmningen som behövs för att göra det. Därför har plattformen potential att vara av stort värde för både syntetiska biologer (som designar och implementerar nya funktioner i levande celler) och systembiologer (som bygger omfattande modeller av alla reaktioner som uppstår i en cell).

Thouvenin blev lite mer filosofisk. "Levande saker runt omkring oss är formbara och de har vackert formats och skapats av evolutionen under miljoner år. Och nu har vi tillgång till det, både när det gäller att förstå det, återanvända det, och i slutändan optimera den för en föränderlig värld. "